摘要
新兴的二维材料硒氧化铋（Bi2O2Se），具有合适的半导体带隙、高的理论载流子迁移率和优异的空气稳定性，在光电子领域中有广阔的应用前景。然而，目前二维 Bi2O2Se 单晶纳米片的生长，面临制备条件苛刻、生长质量有待提升等问题。此外，虽然 Bi2O2Se具有优异的光响应和宽光谱探测的潜力，但其由于较大暗态电流和固有的光辐射热效应等缺点，限制了其在超快光电探测领域的发展。基于此，本文采用有机离子模板引导的溶液法，实现了高质量大尺寸Bi2O2Se 纳米片的合成；在此基础上，通过引入氧空位、分别构筑不同类型的异质结（I 型和 Ⅱ 型），分析其光电性能的增强机理，有效地调控了二维Bi2O2Se 的电学和光电特性，从而制备了高性能的场效应逻辑器件和光电探测器件。 采用溶液法生长 Bi2O2Se 纳米片，并分析了不同的生长前驱体及还原剂对Bi2O2Se 晶体形貌的影响；当以柠檬酸铋铵和亚硒酸钠为前驱体时，实现了高质量 Bi2O2Se单晶纳米片的可控合成。通过对反应机理的探究发现，柠檬酸根离子吸附于 Bi2O2Se（00l）（l ＝ 2，4，6，8，10）晶面，利用其空间位阻效应，促进 Bi2O2Se纳米片的合成。基于所合成的 Bi2O2Se纳米片所制备的场效应晶体管，呈现典型的 n 型导电特性，其开关比高达 105，载流子迁移率可达334.75 cm2 V?1 s?1。此外，在波长为 532 nm 的入射光激发下，其光电探测器具有良好的光响应度（842.91 A W?1）和探测率（8.18×1012 Jones）。 基于本征 Bi2O2Se纳米片的合成，通过调控前驱体 Bi源与 Se源的比例，合成了具有不同氧空位浓度的二维 Bi2OxSe 纳米片（x ＝ 2.0 ~ 0.2）。当氧空位浓度增加时，导带边缘的态密度明显增加，同时费米能级被钉扎在氧缺陷能级附近，从而有效调控了本征 Bi2O2Se的电子结构，改变了 Bi2OxSe与金属电极的接触类型。二维 Bi2OxSe（x ＝ 2.0 ~ 0.2）纳米片光电探测器的响应度和探测率，随着样品中氧空位浓度的增加，呈现出先上升后下降的趋势，而响应时间呈现出一直上升的趋势；其原因是随着氧空位浓度的增加，载流子浓度和散射也随之增加。其中，在波长为 532 nm 的入射光激发下，Bi2O1.7Se 基光电探测器的响应速度为 34 ms；响应度和探测率，分别可达 981.36 A W?1 和8.98×1012 Jones。 基于 Bi2O2Se纳米片的上述合成，采用旋涂法制备了 Bi2O2Se纳米片薄膜；当入射波长为 808 nm 时，此薄膜的光电探测器响应度和探测率分别为 0.79 A W?1、2.24×1010 Jones。在此基础上，构筑了 I 型能带排列的 Bi2O2Se/CsBi3I10钙钛矿异质结：其中 CsBi3I10作为光吸收层，与 Bi2O2Se界面处存在有效的界面电荷转移和较强的载流子耦合效应；因而该异质结光电探测器，实现了宽光谱探测并具有良好的光响应度：在波长 808 nm 入射光激发下，其响应度、探测率和响应速度可分别提升至 48.63 A W?1、1.22×1012 Jones和 4.1 μs。此外，利用 CsBi3I10薄膜和 Bi2O2Se薄膜具有大面积、均匀合成的优势，制备了光电探测器阵列（3×2 像素），在宽光谱范围内具有良好图像识别能力，同时具有优异的性能均匀性和工作稳定性。 在 Bi2O2Se 纳米片的自组装的基础上，结合水热法，合成了横向尺寸为厘米级的自支撑柔性 Bi2O2Se多晶薄膜（晶畴尺寸超过 500 μm）， 所制备的光电探测器，在入射光波长为 808 nm 时，响应度和探测率分别为 2.03 A W?1 和5.31×1010 Jones。此外，结合硅基半导体加工流程，构筑了 Bi2O2Se/p-Si 异质结光电探测器阵列（8×8像素）。其中，Bi2O2Se薄膜与p-Si间所形成的Ⅱ型能带排列，有效地促进光生电子和空穴的分离，并赋予光电探测器自供电特性。当入射光波长为 808 nm，工作偏压为零时，该异质结光电探测器的响应度、探测率分别可达 55.13 A W?1和 1.67×1012 Jones。所制备的光电探测器阵列，可以有效地实现光轨迹的追踪及其近红外光成像，从而在集成光电系统领域具有良好的应用前景。
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